高校實驗室火災爆炸事故風險分析與控制

姬志杰，周德紅，金蹦森，周 嫄，安澤文，張亦韋

(武漢工程大學 資源與安全工程學院，湖北 武漢 430070)

高校實驗室是培養學生和開展科學研究的科學和工程的重要場所。然而，由于高校實驗室存在許多危險、有害因素，實驗室安全管理不善，事故發生后緊急救援等不到位等原因，高校實驗室事故并不少見，北京交通大學火災爆炸事故更是造成了災難性的后果。1996年至2016年全國高校發生的112起事故分析表明，火災和爆炸造成80%以上的實驗室事故[1]；尤立明[2]使用FTA方法評估實驗室消防水平；胡潔[3]基于事故樹法和風險矩陣法，得出了可能導致火災爆炸事故發生的路徑及各個路徑發生的概率；劉音[4]基于模糊綜合評判方法，得出了通風實驗室火災爆炸事故評價體系；但以上研究方向均較為偏向于對設備設施方面，對人員、實驗室環境、安全管理方面的研究略有不足。

通過層次分析法對高校實驗室火災爆炸事故進行系統的風險評估，分析各種因素在實驗室火災事故中的重要性排序，并進行評價，從而獲得評價模型。以北京交通大學環境與市政工程實驗室為例，采用模糊評價法對評估模型進行驗證，提出了實際管理和預防措施。

1 高校實驗室火災爆炸事故分析模型

層次分析法是指一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，該方法將目標分解為多個目標或標準，然后分解為多個級別的多個指標，并計算各二級指標權重排序，將其作為多目標和多方案優化決策的系統方法。

1.1 層次分析模型

參考近年來高校發生的112起事故發生的原因及狀況[1]，從人、物、環境、管理四個方面建立準則層，結合實際情況，建立起17個評判指標層，如表1所示。

表1 高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系

1.2 各因素相對權重計算

為使決策定量化，引用了標度的概念，如表2所示，各判斷矩陣的值采用專家評議法，由多位經驗豐富、具有高級職稱的專家打分求平均值產生。如表3～8所示。

表2 判斷矩陣標度與其含義

表3 矩陣階數與R·I隨機一致性指標

表4 C-C判斷矩陣

用方根法求各指標向量值：

式中i=1,2,3…n

可用MATLAB編程求解最大特征值λmax，|λΕ-Α|=0

求解得λmax=4.025 w1=0.078，w2=0.631，w3=0.054，w4=0.237

λmax=4.025 W=(0.078，0.631，0.054，0.237)

一致性指標為

由表3得R·I=0.89

表5 C1-P判斷矩陣

計算得：λmax=3.054， W=(0.413，0.327，0.260，)，C·R=0.052<0.1，滿足一致性。

表6 C2-P判斷矩陣

計算得：λmax= 5.39 ， W=(0.459，0.242，0.155，0.092，0.052)，C·R=0.087<0.1，滿足一致性。

表 7 C3-P判斷矩陣

計算得：λmax=2，W=(0.833，0.167)，C·R=0<0.1，滿足一致性。

表8 C4-P判斷矩陣

計算得：λmax=7.755， W=(0.229，0.344，0.110，0.036，0.126，0.092，0.063)，C·R=0.093<0.1，滿足一致性。

1.3 各二級指標權重排序

人員因素各二級指標對高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系的權重為：

0.078×(0.413，0.327，0.260，)=(0.032，0.026，0.020)

設備設施因素各二級指標對高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系的權重為：

0.631×(0.459，0.242，0.155，0.092，0.052)=(0.290，0.153，0.098，0.058，0.033)

實驗室環境因素各二級指標對高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系的權重為：

0.054×(0.833，0.167)=(0.045，0.009)

安全管理因素各二級指標對高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系的權重為：

0.237×(0.229，0.344，0.110，0.036，0.126，0.092，0.063)

=(0.054，0.082，0.026，0.009，0.030，0.022，0.015)

綜上所述，得出各因素與高校實驗室火災爆炸事故安全評價體系相關程度的排序。

表 9 高校實驗室火災爆炸事故安全評價模型

2 北交大實驗室火災爆炸事故風險實例分析

2.1 北京交通大學環境與市政工程實驗室概況

環境與市政工程實驗室位于北京交通大學東校區東教2號樓。該建筑為磚混結構，中間兩層建筑為市政與環境工程實驗室，東西兩側三層建筑為電教教室(內部與環境實驗室不連通)。環境與市政工程實驗室一層由西向東依次為模型室、綜合實驗室(西南側與模型室連通)、微生物實驗室、藥品室、大型儀器平臺；二層由西向東分別為水質工程學Ⅱ、水質工程學Ⅰ、流體力學、環境監測實驗室；一層南側設有5個南向出入口；一、二層由東、西兩個樓梯間連接；一層模型室和綜合實驗室南墻外碼放9個集裝箱[5]。

圖 1 北京交通大學環境與市政工程實驗室示意圖

2.2 對北交大市政與環境工程實驗室建立數學模型

表10 北交大市政與環境工程實驗室綜合評價

表10(續)

根據北交大“12.26”事故調查報告以及對北交大相關工作人員的拜訪調查，從而了解了北交大市政與環境工程實驗室的基本情況。在此基礎上，通過頭腦風暴法，邀請了10位專家組成評議小組，對各項指標進行評議、調查、評判，將評價等級分為“好”、“較好”、“一般”、“較差”、“差”五個等級，最終確定二級評價等級。

2.3 評價結果

在表10中，評估小組評估二級指標“安全意識”，并對評估等級的結果進行歸一標準化，以獲得“安全意識”評估集r1j=(0,0.2,0.5,0.3,0)，同一組評論“違章操作”r2j=(0,0,0.4,0.4,0.2)，“違反實驗紀律”評論r3j=(0,0.3,0.4,0.3,0)。

由上述結果，可得出一級評價指標“人員”的評價矩陣R1

再根據二級評價指標權重系數，得出“安全意識”的隸屬度A1=()，然后將A1與R1模糊合成，得到一級指標的綜合評價模糊向量B1：

同理其它一級指標“設備設施”、“環境”、“安全管理”的綜合評價結果B2，B3，B4：

B2=(0,0.141,0.459,0.360,0.040)

B3=(0,0,0,0.1,0.9)

B4=(0,0.063,0.297,0.257,0.382)

可計算得北京交通大學市政與環境工程實驗室綜合評價結果B：

2.4 等級參數評價法

為充分利用通過模糊數學得出的綜合評價結果B所帶來的信息，在實際應用中，往往要集結各種等級規定的某些參數，借此作為評級標準。將北京交通大學市政與環境工程的實驗室的安全狀態分為五個等級，見表11。

表 11 北交大市政與環境工程實驗室安全狀態等級劃分

可選擇各等級成績區間的下界ci作為各等級的參數，它標志著各個等級之間的分界線,p反映了由等級模糊子集B和等級參數向量C的綜合評價結果。

C =(c1,c2,c3,c4,c5)T= (90,80,70,60,0)T

p=B·C =(0,0.116,0.394,0.319,0.170)·(90,80,70,60,0)T=56

由p=56可知，北京交通大學市政與環境工程實驗室的安全狀態為很差，由該實例驗證可知，用層次分析法建立的高校實驗室火災爆炸事故評價模型具有一定實際意義。

3 高校實驗室火災爆炸風險分析對策

由層次分析法建立的高校實驗室火災爆炸事故評價模型可知，在導致高校實驗室火災爆炸事故的各影響因素中，電氣因素、防火防爆設備、通風設備排名前三，此外易燃易爆物品保存、消防設備、安全教育培訓、工作環境布局也占了較大權重，綜合上述評價結果，提出以下建議措施：

(1)建立健全的電氣設備管理制度。學校、院系應建立完善的實驗室電氣設備規章制度，由實驗室負責人負責落實。學校、學院應建立定期檢查制度，及時檢查實驗室存在的電氣隱患，并責令限期整改，整改不合格的實驗室暫時關閉，對實驗室負責人進行相關處分，實驗室直到整改合格方可繼續投入使用。

(2)配備防火防爆設備。學校應對有重大危險源的實驗室安裝防火防爆設備，每次試驗前實驗室負責人均應檢查設備是否運行正常，設備運行正常方可正常試驗。

(3)改善實驗室通風條件。實驗室應盡可能設在通風條件良好的區域，并且對危險因素較多的實驗室應安裝通風設備，每次試驗前實驗室負責人均應檢查通風設備是否運行良好，學校應定期對各實驗室的通風設備進行檢查。

(4)建立健全的易燃易爆物品保存制度。對各種易燃易爆物品的儲存，應嚴格按照相關規范執行，并且在儲存處應張貼含有負責人姓名和聯系方式的責任牌，發現任何安全隱患時，負責人應立即整改，不得拖延。

(5)加強實驗室人員安全教育培訓。人員在進入實驗室之前，必須先接受安全培訓，進行考核，考核合格后方可進入。

(6)建立合理規范的實驗室布局。學校應聘請相關安全專家對各實驗室布局進行檢查。實驗室布局若需改動，必須由相關安全專家審核通過后，由學校批準方可實行。